DE4016640C2 - Transceiver switch with PIN diode - Google Patents
Transceiver switch with PIN diodeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sende-Empfangs-Weiche mit einem Sendekanal zur Übergabe eines Hochfrequenzstromes von einem Sender zu einer Antenne, wobei in dem Sendekanal eine PIN- Diode angeordnet ist.The invention relates to a transceiver switch with a Transmission channel for transferring a high-frequency current from one Transmitter to an antenna, with a PIN in the transmission channel Diode is arranged.
Sende-Empfangs-Weichen werden benutzt, um wechselweise einen Sender oder einen Empfänger mit einer Antenne zu verbinden. Eine Sende-Empfangs-Weiche stellt somit nichts anderes, als einen Antennenumschalter dar und entspricht elektrisch einem mechanischen Umschalter. Die Verwendung von PIN-Dioden für Antennenumschalter bzw. Sende-Empfangs-Weichen ist in dem Buch von Erich Renz: "PIN- und Schottky-Dioden", Heidelberg 1976, Seiten 121 und 122 vorgeschlagen. PIN-Dioden sind als Hochfrequenzschalter gut geeignet, weil sie im Ein-Zustand eine geringe Einfügungsdämpfung und im Aus-Zustand einen hohen Isolationsdämpfungswert aufweisen.Send-receive switches are used to alternate one Connect transmitter or receiver to an antenna. A send-receive switch thus represents nothing else than represents an antenna switch and corresponds electrically to one mechanical switch. The use of PIN diodes for Antenna switch or send-receive switch is in the Book by Erich Renz: "PIN and Schottky Diodes", Heidelberg 1976, pages 121 and 122. PIN diodes are as High frequency switch well suited because it is in the on state a low insertion loss and in the off state one have a high insulation damping value.
Eine Sende-Empfangsweiche der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 24 26 506 bekannt. Im Sendekanal sind PIN-Dioden als Hochfrequenzschalter vorgesehen, die über einen Umschal ter mit einer Batterie oder einer anderen Gleichspannungs quelle verbunden sind. Nachteilig ist dabei, daß eine sepa rate Gleichspannungsquelle bereitgestellt werden muß und daß Steuersignale und Steuerschalter zum Anlegen der Steuerspan nung an die PIN-Diode erforderlich sind. Dadurch ist die Sende-Empfangsweiche aufwendig. A send-receive switch of the type mentioned is off DE-OS 24 26 506 known. There are PIN diodes in the transmission channel provided as a high-frequency switch, which has a switch ter with a battery or other DC voltage source are connected. The disadvantage is that a sepa rate DC voltage source must be provided and that Control signals and control switches for applying the control chip voltage to the PIN diode are required. This is the Transceiver switch complex.
In dem Artikel "Rundfunksender als Energiequelle", erschie nen in "radio fernseh phono praxis", Nr. 3, März 1971, ist als orientierender Versuch für den Nachwuchs vorgeschlagen, bei einem kleinen Radioempfänger die von einer Antenne emp fangene Hochfrequenzenergie gleichzurichten und als Be triebsspannung für einen Transistorverstärker zu verwenden.In the article "Broadcasters as an Energy Source", appear is in "radio tv phono practice", No. 3, March 1971 proposed as an orientation experiment for the youngsters, with a small radio receiver that is emp rectify captured radio frequency energy and as loading to use drive voltage for a transistor amplifier.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Sende-Empfangs-Weiche anzugeben, die kein separates Netzteil und keine Steuer signale und Steuerschalter zur Steuerung der PIN-Diode im Sendekanal benötigt.The object of the invention is now a transmit-receive switch specify that no separate power supply and no tax signals and control switches for controlling the PIN diode in the Transmission channel required.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gleichrichter vorgesehen ist, der stets von einem Teil des Hochfrequenzstromes durchflossen wird, wenn im Sendekanal der Hochfrequenzstrom fließt, und daß ein von dem Gleich richter aus dem Teil des Hochfrequenzstromes erzeugter Gleichstrom der PIN-Diode unmittelbar als Steuerstrom zuge führt wird.This object is achieved in that a Rectifier is provided, which is always part of the High-frequency current is flowed through when in the transmission channel the high frequency current flows, and that one of the same judge generated from the part of the high-frequency current Direct current of the PIN diode directly supplied as a control current leads.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine PIN- Diode wegen ihrer langen Trägerlebensdauer zum Leiten nur einen klei nen Steuergleichstrom benötigt.The invention is based on the knowledge that a PIN Diode due to their long carrier life only for conducting a little Necessary DC control current is required.
Damit die in der PIN-Diode gespeicherte Ladung von der nega tiven Halbwelle des Hochfrequenzstromes nicht ausgeräumt wird, muß gelten:So that the charge stored in the PIN diode is nega tive half-wave of the high-frequency current is not cleared, must apply:
Dabei ist QPIN die in der PIN-Diode gespeicherte Ladung,
IDC der Steuergleichstrom der PIN-Diode,
τL Die Lebensdauer der Ladungsträger in der PIN-
Diode
IHFeff der Effektivwert des Hochfrequenzstromes.Q PIN is the charge stored in the PIN diode,
I DC the control direct current of the PIN diode,
τ L The lifespan of the charge carriers in the PIN diode
I HFeff the effective value of the high-frequency current.
So ergibt sich beispielsweise bei einer Trägerlebensdauer τL = 15µs und einem Hochfrequenzstrom IHFeff = 17 A mit einer Frequenz f = 64 MHz ein Steuergleichstrom vonFor example, with a carrier life τ L = 15µs and a high-frequency current I HFeff = 17 A with a frequency f = 64 MHz, a control direct current of
Dieser geringe Steuergleichstrom wird erfindungsgemäß aufge bracht durch die Gleichrichtung eines kleinen Teils des Hoch frequenzstroms, der vom Sender über den Sendekanal zur Antenne übergeben wird. Da die PIN-Diode automatisch im Sendefall mit einem Steuerstrom leitend gemacht ist, werden keine zusätzlichen Schalter zum Schalten des Steuerstromes benötigt. Der Aufbau des Sendekanals wird somit erheblich vereinfacht.This low DC control current is applied according to the invention brings through the rectification of a small part of the high frequency current from the transmitter via the transmission channel to the antenna is handed over. Since the PIN diode automatically with the transmission a control current is made conductive, no additional Switch required to switch the control current. The structure of the Transmission channel is thus considerably simplified.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß im Sendekanal ein Kondensator angeordnet ist, der verhindert, daß der Steuerstrom zum Sender abfließt. Dadurch ist sicherge stellt, daß der aus dem Hochfrequenzstrom erzeugte Steuerstrom für die PIN-Diode vollständig in die PIN-Diode fließt. An advantageous embodiment is characterized in that a capacitor is arranged in the transmission channel, which prevents that the control current flows to the transmitter. This ensures security represents that the control current generated from the high frequency current for the PIN diode flows completely into the PIN diode.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Gleichrichter einen Gleichrichterteil mit einer antiparallel zur PIN-Diode angeordneten Gleichrichterdiode um faßt. Der Steuerstrom für die PIN-Diode kann leicht von einer antiparallelen Schaltdiode erzeugt werden.A further advantageous embodiment is characterized by this from that the rectifier a rectifier part with a rectifier diode arranged antiparallel to the PIN diode sums up. The control current for the PIN diode can easily be from one antiparallel switching diode are generated.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in Reihe zur Gleichrichterdiode eine Induktivität angeordnet, wobei die Rei henschaltung aus Gleichrichterdiode und Induktivität parallel zur PIN-Diode geschaltet ist. Diese Induktivität schützt die Gleichrichterdiode vor zu hohen Hochfrequenzströmen. Das Ver hältnis von Zuleitungsinduktivität der PIN-Diode zu dieser In duktivität bestimmt die Höhe des Steuergleichstroms.In a further advantageous embodiment is in series Rectifier diode arranged an inductance, the Rei parallel connection of rectifier diode and inductance is switched to the PIN diode. This inductance protects the Rectifier diode before high frequency currents. The Ver Ratio of lead inductance of the PIN diode to this In Productivity determines the level of the direct tax current.
Zur Dämpfung von unerwünschten Schwingungen ist in einer wei teren vorteilhaften Ausgestaltung die Induktivität mit einem Dämpfungswiderstand überbrückt.To dampen unwanted vibrations is in a white teren advantageous embodiment of the inductance with a Damping resistance bridged.
Zur Unterdrückung des Störrauschens des Senders im Empfangsfall werden in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung im Sende kanal mehrere PIN-Dioden in Reihe angeordnet, die miteinander über kurze Leitungsstücke verbunden sind, deren Kapazität bei der höchsten Betriebsfrequenz wesentlich größer ist als die Sperrkapazität der PIN-Dioden, und wobei zu jeder PIN-Diode antiparallel ein Gleichrichter geschaltet ist. Da die Empfangs signale von der Antenne unterhalb der Diodenschwelle liegen, sind die PIN-Dioden nichtleitend. Der Sender ist somit vom Emp fänger entkoppelt. Damit die zwischen den PIN-Dioden angeordne ten Leitungsstücke als Kapazitäten wirken, müssen sie kürzer als die halbe Wellenlänge ausgebildet sein.To suppress the noise of the transmitter when receiving are broadcast in a further advantageous embodiment channel several PIN diodes arranged in series with each other are connected via short line sections, whose capacity at the highest operating frequency is significantly greater than that Blocking capacity of the PIN diodes, and being used for each PIN diode a rectifier is connected antiparallel. Because the reception signals from the antenna are below the diode threshold, the PIN diodes are not conductive. The transmitter is therefore from the Emp catcher decoupled. So that the arranged between the PIN diodes line sections act as capacities, they must be shorter than half the wavelength.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind drei PIN- Dioden in Kaskadenschaltung angeordnet. Das ergibt eine prak tisch ausreichende Unterdrückung des Senderstörrauschens, da die Gesamtdämpfung des Senderstörrauschens nun das Produkt der drei Einzeldämpfungen der Kaskadenstufen ist. In a further advantageous embodiment, three PIN Diodes arranged in cascade. That makes a prak table sufficient suppression of transmitter interference, since the Total attenuation of transmitter noise is now the product of the three Individual attenuation of the cascade levels is.
Die Sende-Empfangsweiche ist insbesondere zur Verwendung in ei nem medizinischen Kernspinresonanz-Gerät geeignet, weil sie bei der Frequenzen im Megahertz-Bereich eine hohe Senderleistung im Kilowatt-Bereich an die Antenne übergeben kann.The send-receive switch is especially for use in egg nem medical magnetic resonance device because they are suitable for the frequencies in the megahertz range a high transmitter power in Kilowatt range can be passed to the antenna.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur beschrieben. Die Figur zeigt den Sendekanal einer Sende-Empfang-Weiche mit drei PIN-Dioden.An embodiment of the invention is described below described a figure. The figure shows the transmission channel one Transceiver switch with three PIN diodes.
Die in der Figur dargestellte Sende-Empfangs-Weiche ist beson ders angepaßt für den Einsatz in einem medizinischen Kernspin resonanz-Gerät. Sie erlaubt es, breitbandig Sendeimpulse mit einem Frequenzbereich von ca. 10 MHz bis 90 MHz, also einer Bandbreite von ca. 80 MHz, bei einer Impulsleistung von 15 KW an eine Antenne zu übergeben. Prinzipiell sind noch höhere Band breiten bis ca. 150 MHz möglich. Der Anschluß für einen Sender ist mit X1, der Anschluß für eine Antenne ist mit X2 und der An schluß für einen Empfänger ist mit X3 bezeichnet. Zwischen dem Senderanschluß X1 und dem Antennenanschluß X2 ist der Sendekanal 2 und zwischen dem Antennenanschluß X2 und dem Empfängeranschluß X3 ist der Empfangskanal 4 der Sende-Empfangs-Weiche angeordnet. Der Empfangskanal 4 wird über einen Signaleingang 6 so gesteu ert, daß der am Anschluß X3 angeschlossene Empfänger im Sende fall von der am Anschluß X2 angeschlossenen Antenne abgekoppelt ist. Das ist in der Figur durch einen Schalter 8 veranschaulicht, der über den Signaleingang 6 mit einem Signal steuerbar ist.The transmit-receive switch shown in the figure is specially adapted for use in a medical magnetic resonance device. It allows broadband transmission pulses with a frequency range from approx. 10 MHz to 90 MHz, i.e. a bandwidth of approx. 80 MHz, to be transmitted to an antenna with a pulse power of 15 KW. In principle, even higher bandwidths up to approx. 150 MHz are possible. The connection for a transmitter is marked X1, the connection for an antenna is marked X2 and the connection for a receiver is marked X3. The transmission channel 2 is arranged between the transmitter connection X1 and the antenna connection X2 and the reception channel 4 of the transmission-reception switch is arranged between the antenna connection X2 and the receiver connection X3. The receiving channel 4 is controlled via a signal input 6 so that the receiver connected to connection X3 is decoupled from the antenna connected to connection X2 in the transmission case. This is illustrated in the figure by a switch 8 which can be controlled with a signal via the signal input 6 .
Der Sendekanal 2 hat die Aufgabe, im Empfangsfall den Sender von der Antenne abzukoppeln, so daß das Empfangssignal durch den Sen der nicht unnötig gedämpft wird. Das geschieht hier durch drei in Kaskadenschaltung oder in Reihe angeordnete Schwellen 10, die untereinander durch kurze Leitungsstücke 12 miteinander verbun den sind. Die Kaskadenschaltung der drei Schwellen 10 ist einer seits über einen Kondensator C1 mit dem Senderanschluß X1 und andererseits mit dem Antennenanschluß X2 und dem Empfangskanal 4 verbunden. The transmission channel 2 has the task of uncoupling the transmitter from the antenna in the case of reception, so that the reception signal is not unnecessarily attenuated by the sensor. This is done here by three in cascade or in series arranged thresholds 10 , which are interconnected by short line sections 12 to each other. The cascade connection of the three thresholds 10 is connected on the one hand via a capacitor C1 to the transmitter connection X1 and on the other hand to the antenna connection X2 and the reception channel 4 .
Die Schwellen 10 bestehen jeweils aus einer Parallelschaltung einer PIN-Diode V1 mit einem Gleichrichter 14. Der Gleichrichter 14 liefert den Steuerstrom für die PIN-Diode V1, damit sie auch in der negativen Halbwelle des Hochfrequenzstroms leitend bleibt. Wegen der relativ langen Trägerlebensdauer in der PIN-Diode V1 wird nur ein sehr geringer Steuerstrom von z. B. 0,2 A benötigt.The thresholds 10 each consist of a parallel connection of a PIN diode V1 with a rectifier 14 . The rectifier 14 supplies the control current for the PIN diode V1 so that it remains conductive even in the negative half-wave of the high-frequency current. Because of the relatively long carrier life in the PIN diode V1, only a very low control current of e.g. B. 0.2 A is required.
Der Gleichrichter 14 umfaßt eine Gleichrichterdiode V2, die den Steuerstrom als Gleichstrom liefert. Zur Begrenzung des Hochfre quenzstroms durch die Gleichrichterdiode V2 ist in Reihe zur Gleichrichterdiode V2 eine Induktivität L1 geschaltet. Das Ver hältnis der Induktivität L1 zur Zuleitungsinduktivität der PIN- Diode V1 - die Zuleitungsinduktivität ist durch einen Halbkreis 16 veranschaulicht - bestimmt somit die Größe des Steuergleich stroms. Zur Dämpfung von parasitäten Schwingungen an der Induk tivität L1 ist parallel zur Induktivität L1 ein Widerstand R1 geschaltet.The rectifier 14 comprises a rectifier diode V2, which supplies the control current as direct current. To limit the high-frequency current through the rectifier diode V2, an inductor L1 is connected in series with the rectifier diode V2. The ratio of the inductance L1 to the lead inductance of the PIN diode V1 - the lead inductance is illustrated by a semicircle 16 - thus determines the size of the control direct current. A resistor R1 is connected in parallel with inductor L1 to dampen parasitic vibrations at inductor L1.
Die mit dem Antennenanschluß X2 verbundene Schwelle 10 ist anti seriell zu den übrigen Schwellen 10 geschaltet. Dadurch wird auch der Kondensator C1 nicht so stark umgeladen.The connected to the antenna terminal X2 threshold 10 is anti connected in series to the other thresholds 10th As a result, the capacitor C1 is also not charged as strongly.
Die Funktion der Sende-Empfangs-Weiche wird im folgenden er läutert. Beim Senden fließt der Hochfrequenzstrom hauptsächlich durch die PIN-Dioden V1 in den Schwellen 10. Die PIN-Dioden V1 benötigen zum Leiten wegen ihrer langen Trägerlebensdauer nur einen kleinen Steuergleichstrom. Dieser wird aufgebracht durch die Gleichrichtung eines kleinen Teils des Hochfrequenzstroms mit der schnellen Gleichrichterdiode V2. Das Verhältnis des Steuerstroms zum Hochfrequenzstrom wird durch das Verhältnis der Zuleitungsinduktivität zur PIN-Diode V1 und der Induktivität L1 im Gleichrichter bestimmt. Der Dämpfungswiderstand R1 wird sehr viel größer als die Reaktanz der Induktivität mit L1 aus geführt. The function of the send-receive switch is explained below. When transmitting, the high-frequency current flows mainly through the PIN diodes V1 in the thresholds 10 . The PIN diodes V1 only require a small control direct current for conducting because of their long carrier life. This is applied by rectifying a small part of the high-frequency current with the fast rectifier diode V2. The ratio of the control current to the high-frequency current is determined by the ratio of the supply inductance to the PIN diode V1 and the inductance L1 in the rectifier. The damping resistor R1 is made much larger than the reactance of the inductor with L1.
Von Vorteil ist die Aufgabenteilung der Dioden V1 und V2 in der Schwelle 10. Die PIN-Diode V1 ist zwar langsam, aber hochstrom tauglich. Außerdem weist sie einen sehr geringen Durchlaßwider stand auf, dadurch ist die Einfügungsdämpfung gering. Dagegen ist die Diode V2 eine schnelle Schaltdiode, die jedoch nur ei nen geringen Strom führen muß.The division of tasks of diodes V1 and V2 in threshold 10 is advantageous. The PIN diode V1 is slow, but suitable for high currents. In addition, it has a very low forward resistance, so the insertion loss is low. In contrast, the diode V2 is a fast switching diode, which, however, only has to carry a low current.
Beim Empfang macht ein kleines Empfangssignal am Antennenan schluß X2 die mit dem Antennenanschluß X2 verbundene Schwelle 10 nicht leitend, somit sind alle Schwellen 10 im Sendekanal 2 ge sperrt. Die Kaskadenschaltung mehrerer Schwellen 10 ist vorge sehen, um das Störrauschen des Senders im Empfangsfall praktisch vollständig zu unterdrücken. Das wird dadurch erreicht, daß unterhalb der Diodenschwellspannung im wesentlichen nur die kleine Diodensperrkapazität der PIN-Diode V1 von z. B. 3 pF und der Diode V2 wirksam ist. Die zwischen den Schwellen angeordne ten Leitungsstücke 12 sind dann fast leerlaufend und bilden eine Kapazität gegen Masse bzw. gegen das Bezugspotential. So ist z. B. für eine 50 Ohm-Leitung, die eine elektrische Länge auf weist, die sehr viel kleiner als die Wellenlänge auf der Leitung ist, die Kapazität gegen Masse z. B. 30 pF. Die Gesamtdämpfung des Senderstörrauschens ist somit nur noch das Produkt der Dämpfung der einzelnen Kaskadenstufen.When receiving a small reception signal at the antenna connection X2 makes the threshold connected to the antenna terminal X2 10 non-conductive, so all thresholds 10 in the transmission channel 2 are blocked ge. The cascade connection of several thresholds 10 is seen to suppress the noise of the transmitter in the receiving case practically completely. This is achieved in that, below the diode threshold voltage, essentially only the small diode blocking capacity of the PIN diode V1 of z. B. 3 pF and the diode V2 is effective. The between the thresholds th line pieces 12 are then almost idle and form a capacitance to ground or to the reference potential. So z. B. for a 50 ohm line, which has an electrical length that is much smaller than the wavelength on the line, the capacitance to ground z. B. 30 pF. The total attenuation of the transmitter interference noise is therefore only the product of the attenuation of the individual cascade levels.
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Legal Events
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
| D2 | Grant after examination | ||
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